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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 저비용의 3차원 레이저 다이렉트 패터닝 시스템을 구성하기위한 요소기술 개발과 이를 통한 통합 시스템을 완성하였다. 이를 통한 새로운 적용 분야를 도출하고 구현함으로써 장비의 성능을 시험하였다.
- 본 연구에서는 레이저를 이용한 다이렉트 전도성 패턴 형성 법을 설명하고 이를 구현할 수 있는 시스템을 개발하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- (1) 레이저 다이렉트 패터닝 시스템 구성을 위해 출력안정화 장치, 다이나믹 포커싱 장치, 자동정렬 장치에 대한 요소 기술을 개발 및 적용하여 시스템에 적용 하였다.
- (5) 새로운 LDS 적용 제품을 통해 장비 검증과 적용 분야를 제시하였다.
- 13과 같이 개발 완료 하였다. Fiber laser를 이용하여 장비의 소형화를 이루었으며 기존 장비보다 경제성 있는 구조로 개선하였다. 시스템의 주요 제원은 Table 2에 나타내었다.
- 각 시스템의 인터페이스 장치는 X, Y, Z 그리고 틸팅 스테이지 제어는 PMAC 컨트롤러, 3D 스캐너 시스템을 제어 RTC-4보드, 레이저를 제어하는 PCI 보드를 사용하였다.
- 개발 완료된 장비의 성능을 검증하기 위하여 3차원 형상을 가지는 새로운 적용제품을 개발 하였다. 새로 적용된 제품은 Fig.
- 개발된 무 편광용 출력 안정화 장치는 Fig. 4와 같이 굴절률의 변화를 준 적외선 미러 표면 AR(Anti-reflection)을 50%로 하여 굴절률과 반사율 변화가 급격하게 생기지 않도록 2개의 감쇄기를 제작하였으며 정밀모터를 이용하여 0∼45° 각도 변화에 따른 투과율이 변화도록 하였다.
- 서론에서 설명한 LPKF® LDS 생산 시스템에서는 3차원 형상 패터닝을 위해 멀티 레이저 헤드 시스템을 사용하고 있다. 그러나 본 연구에서는 이런 방법과 다르게 렌즈의 위치를 변경하여 초점위치를 일정하게 유지시켜주는 Z축 스캐너를 적용하였다. Z축 스캐너의 작동원리는 Fig.
- 기준점이 없는 경우는 기존 가공부의 패턴을 화상 분석하여 정렬하는 방법을 사용한다. 기준이 되는 패턴의 화상 이미지를 추출하여 직선 선분의 화소만을 자동정렬 알고리즘을 통해 추출하여 정렬할 데이터를 획득 후 회전식 작업대를 이용하여 정렬시킨다. Fig.
- 시스템에 적용된 다이나믹 포커싱을 검증하기 위하여 높이 10mm의 3차원 형상 가공물을 가공하여 레이저 빔을 조사한 후 패턴 선폭을 검증하였다. 다이나믹 포커싱을 적용 후 선폭을 속도 변화에 따른 조건별로 각각 측정하였다. 측정 결과 선폭 변화는 Table.
- 스캐너 시스템은 X, Y 갈바노 미러(galvanometer mirror)로 움직이는 스캐너에 일정 영역의 초점위치를 변경 할 수 있는 Z축 스캐너를 적용하여 다이나믹 포커싱 시스템을 구성하였다. 또한 Z축 스캐너의 한계를 극복하기 위해 작업대를 패턴 가공 시 3차원 형상과 Z축 스캐너 범위를 계산하여 회전할 수 있도록 하였다. 연속적으로 다른 가공물을 빠르게 가공하기 위하여 가공물과 패턴 위치를 용이하게 정렬 할 수 있는 자동 정렬 장치(auto-alignment system)를 X, Y 스캐너에 비전(vision) 및 LED 조명을 부착하였다.
- 7과 같이 작업대에 정밀 회전 모터를 부착하여 작업범위를 확장하였다. 또한 작업의 다양성을 위해 테이블을 분할하였다.
- 11과 같다. 레이저 공정변수와 출력 안정화 장치의 운영은 미리 변수를 설정하기 때문에 운영 소프트 웨와는 별도로 수행하며 자동 정렬장치 또한 본 가공 전 시료의 정보를 먼저 입수한 후 가공 시 적용하게 하였다.
- 레이저 출력 안정화는 빔 분배기(beam splitter; 1:99)에 의해 검출된 1%의 빔을 광 검출기(photodiode detector)를 통해 실시간으로 모니터링 하였으며, 감쇄기를 PID제어를 통해 레이저 출력 안정화를 이루었다. 출력 안정화 제어는 제어하고자하는 설정 값을 설정 후 모터의 PID 제어에 의해 제어하였다.
- 무 편광 레이저의 출력 안정화를 위해 본 논문에서는 굴절법칙(law of refraction)인 Snell's law를 이용하여 입사되는 레이저 광축을 유지하였으며 감쇄기(attenuator)를 이용한 각도변화를 통하여 출력안정화 장치를 고려하였다.
- 출력 안정화 장치(power stabilizer system)는 미세 패턴의 균일도(uniformity)를 높이기 위한 장치로 원하는 출력안정도를 PID제어를 통해 유지시킬 수 있도록 개발하였다. 스캐너 시스템은 X, Y 갈바노 미러(galvanometer mirror)로 움직이는 스캐너에 일정 영역의 초점위치를 변경 할 수 있는 Z축 스캐너를 적용하여 다이나믹 포커싱 시스템을 구성하였다. 또한 Z축 스캐너의 한계를 극복하기 위해 작업대를 패턴 가공 시 3차원 형상과 Z축 스캐너 범위를 계산하여 회전할 수 있도록 하였다.
- 시스템에 적용된 다이나믹 포커싱을 검증하기 위하여 높이 10mm의 3차원 형상 가공물을 가공하여 레이저 빔을 조사한 후 패턴 선폭을 검증하였다. 다이나믹 포커싱을 적용 후 선폭을 속도 변화에 따른 조건별로 각각 측정하였다.
- 또한 Z축 스캐너의 한계를 극복하기 위해 작업대를 패턴 가공 시 3차원 형상과 Z축 스캐너 범위를 계산하여 회전할 수 있도록 하였다. 연속적으로 다른 가공물을 빠르게 가공하기 위하여 가공물과 패턴 위치를 용이하게 정렬 할 수 있는 자동 정렬 장치(auto-alignment system)를 X, Y 스캐너에 비전(vision) 및 LED 조명을 부착하였다.
- 그러나 이러한 경우 스캐너의 X, Y과 비전에서 측정한 화상의 X, Y축의 차이로 측정오차를 유발한다. 이런 문제점을 보완하기 위해 Fig. 8과 같이 X. Y축 스캐너와 비전 부 화상의 광학계를 일치시킴으로서 축 정렬에서 발생하는 오차를 최소화하였고 LED조명 또한 동축 으로 제작하여 균일한 휘도를 유지 할 수 있도록 하였다.
- 따라서 본 논문에서는 저비용의 3차원 레이저 다이렉트 패터닝 시스템을 구성하기위한 요소기술 개발과 이를 통한 통합 시스템을 완성하였다. 이를 통한 새로운 적용 분야를 도출하고 구현함으로써 장비의 성능을 시험하였다.
- 자동차 사이드 미러 램프의 경우 LED 전구를 이용하여 작동 여부를 확인하였다. 이를 통해 시스템 장비의 성능 검증과 새로운 적용제품을 발굴 하였다.
- 3차원 형상 및 가공 패턴을 위한 데이터는 작업의 효율성을 위해 3D CAD를 직접 사용할 수 있도록 하였다. 작성된 3차원 도면과 패턴 형상을 dxf 파일로 저장하여 각각의 위치정보를 생성하여 시스템 운영 시 사용하도록 하였다.
- 패터닝을 위한 레이저 빔의 이송 경로는 출력안정화 장치와 스캐너 시스템(scanner system)을 지나 가공물을 가공하게 된다. 출력 안정화 장치(power stabilizer system)는 미세 패턴의 균일도(uniformity)를 높이기 위한 장치로 원하는 출력안정도를 PID제어를 통해 유지시킬 수 있도록 개발하였다. 스캐너 시스템은 X, Y 갈바노 미러(galvanometer mirror)로 움직이는 스캐너에 일정 영역의 초점위치를 변경 할 수 있는 Z축 스캐너를 적용하여 다이나믹 포커싱 시스템을 구성하였다.
성능/효과
- (2) 고 정밀 레이저 패턴 형성을 위해 비편광용 출력안정화 장치를 개발하였으며, ±1% 이내로 출력을 안정화 시킬 수 있었다.
- (3) 다이나믹 포커싱 장치와 틸팅 스테이지 개념을 도입하여 3차원 형상을 가지는 제품에 대한 레이저 패턴 형성을 가능하게 하였으며, 이를 통한 선폭 균일도는 최대 1.84% 이었다.
- (4) 사용이 편리한 자제 통합 소프트웨어를 개발하여 사용자 쉽게 시스템에 접근 할 수 있도록 하였다.
- 상기 결론을 통하여 저비용의 3차원 레이저 다이렉트 패터닝 시스템의 사용화 가능성을 확인하였다.
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